Долгие годы наши электронные устройства становились все меньше и все быстрее, но продолжаться так больше не может, если мы не устраним одно большое препятствие: батареи. Вести.Hi-tech перевели материал издания The Verge, посвященный последним разработкам в области электроники, получающей энергию от человеческого тела.
Батарея — узкое место любой электронной системы, рассказала The Verge Дина Эль-Дамак, профессор электроинженерии из Университета Южной Калифорнии. Возможности устройства во многом определяются его источником питания, и попытки одновременно увеличить автономность и нарастить вычислительную мощь уже приводят к опасным последствиям — вспомните взрывы Samsung Galaxy Note 7. Одно из решений — создать устройства, которые будут получать энергию самостоятельно за счет движения или пользуясь теплом человеческого тела, не требуя емкой встроенной батареи.
Хотя момент, когда смартфоны смогут обходиться без зарядника, пока находится далеко в будущем, инженеры в университетах и лабораториях корпораций работают над тем, чтобы приблизить его.
Зачем нужны устройства с автономным питанием?
Для большинства людей разработка подобных технологий будет означать, что нам больше никогда не придется заряжать смартфон или фитнес-браслет. Но пока исследователи в основном решают проблему с питанием медицинских устройств, особенно вживляемых, таких как кардиостимуляторы. "Если устройство полагается на батарею, для ее замены нужна операция, так что обеспечение [полностью автономной] работы было бы большим преимуществом и по-настоящему изменило бы жизни людей", — говорит Эль-Дамак.
Такая технология помогла бы и внедрению мозговых имплантов, например, таких, которые намерена разработать созданная Илоном Маском компания Neuralink. Предполагается, что крошечный чип размером с микрон (0,001 миллиметра) будет вживляться в мозг, позволяя людям "общаться" с компьютером напрямую, с помощью электрических импульсов, минуя традиционные интерфейсы. Как ожидается, при помощи этой технологии можно будет расширить умственные способности человека, а также лечить инсульт, паралич и даже потерю памяти в пожилом возрасте. Большинство из доступных сегодня мозговых имплантов работают не более пяти лет, и чтобы увеличить этот срок, нужны либо более емкие батареи, либо другой способ обеспечить энергией вживленные чипы.
В тепле тела
Теоретически способов заставить устройства работать без батарей много. Один вариант — пьезоэлектрический эффект, когда энергия выделяется в определенных материалах при деформации под механическим воздействием. Другой, шире распространенный в массовом сознании — использование энергии движения. Но устройство, которое будет работать только когда человек двигается – штука малопрактичная. Поэтому большинство исследователей, работающих в этой области, считают лучшим источником энергии для автономных гаджетов тепло тела.
Это работает благодаря термоэлектрическому эффекту — ток возникает в электрических цепях, разные элементы которых имеют различную температуру, а температура нашего тела почти всегда отличается от температуры окружающей среды. Разработки в этой области ведут, среди прочих, исследователи в университете Северной Каролины под руководством Дариуша Вашаи (Daryoosh Vashaee). В прошлом году его команда создала крошечное устройство, вырабатывающее ток именно таким образом:
Выглядит оно как металлическая пластинка, которую можно встроить в одежду или браслет, и выдает в двадцать раз больше энергии на квадратный сантиметр площади, чем ранее разработанные приборы такого рода. Ученые даже определили, где именно на теле следует размещать такие преобразователи для максимальной эффективности — на руке между локтевым и плечевым суставами.
По словам Вашаи, очевидное преимущество тепла тела в качестве источника энергии — оно выделяется само по себе, не требуя усилий от человека. Проблема в том, что генерируемый ток очень слабый, и чем меньше разница в температуре между телом и окружающей средой, тем более эффективной должна быть система. Можно, конечно, увеличивать площадь теплосборника, но чем такое устройство массивнее — тем меньше найдется желающих его носить.
Энергоэффективная электроника
Ученые "по другую сторону уравнения" пытаются создать электронные устройства, которым для работы нужно совсем мало электричества. Одна из проблем здесь — "утечка" энергии из батарей, говорит Эль-Дамак. Если долгое время не использовать аккумулятор, он все равно будет постепенно терять заряд. Многочисленные исследования проводятся сегодня чтобы выяснить, как свести этот эффект к минимуму.
В Университете Северной Каролины базируется исследовательское объединение "Центр ASSIST" (аббревиатура от Advanced Self-Powered Systems of Integrated Sensors and Technologies — продвинутые системы интегрированных датчиков и технологий с автономным питанием), где разрабатывают требующие мало энергии безбатарейные электронные устройства для применения в медицине. Директор ASSIST Виина Мишра рассказала The Verge, что прототип гаджета для отслеживания основных параметров жизнедеятельности уже создан.
Устройство в виде браслета (см. фото выше) получает энергию от тепла тела через размещаемый на груди теплообменник и может отслеживать влажность, температуру и даже наличие в воздухе органических соединений. Нагрудный модуль также мониторит сердцебиение, двигательную активность и частоту дыхания.
Энергия из трения
Можно получать электричество и трением — со статическим электричеством знакомы все. В науке это называется трибоэлектрическим эффектом. В одном исследовании группа ученых совместила в своем растягиваемом надеваемом устройстве питание от движения и трения. Легкий хлопок ладонью, на которую нанесен полимер с подключенными электродами, сгенерирует достаточно электричества, чтобы на время засветились небольшие светодиоды.
Трибоэлектрический эффект универсален, то есть присущ любым парам материалов, но сильнее всего выражен у некоторых полимеров. "Выбор материалов огромен: бумага, шелк, волокна, дерево, металл, органические материалы", — рассказывает соавтор исследования Жон Лин Ван, возглавляющий исследовательскую группу по нанотехнологиям в Технологическом институте Джорджии. Кроме того, по сравнению с термоэлектрическим эффектом, энергии получается больше.
Гибкость является в данном случае одной из ключевых инноваций. "Когда материал гибкий, вы можете симулировать человеческую кожу для машинных интерфейсов", — говорит Ван. Разработанное при его участии надеваемое устройство подходит для нательных датчиков, но также для чего угодно, содержащего тканый материал. Например, отмечает ученый, можно создать систему безопасности, "вшитую" в шторы или ковер.
Когда?
Команды Жон Лин Вана и Виины Мишры сотрудничают с компаниями, которые надеются вывести созданные на основе их разработок решения на рынок. Ван считает, что до коммерциализации их устройства осталось около трех лет. Но уже в сентябре в продаже должны появиться часы Matrix Watch, использующие для питания тепло тела:
Правда, когда корреcпонденту The Verge прислали ранний прототип этих часов на тест в конце прошлого года, гаджет толком не работал. Но несколько позже, во время встречи в офисе компании-разработчика создатели Matrix Watch эффектно продемонстрировали включение гаджета при помощи кубика льда.
Так что, хотя еще не один год нам никуда не деться от зарядных устройств и кабелей, будущее с устройствами, которые не надо постоянно подключать к розетке, может оказаться ближе, чем мы думаем.
Источник: The Verge
